История Земли. От звездной пыли – к живой планете. Первые 4 500 000 000 лет

Хейзен Роберт

Первая, наиболее понятная ступень биогенеза заключалась в энергичном образовании молекулярных блоков: сахаров, аминокислот, липидов и прочих соединений. Эти основные вещества, образованные на основе вездесущего углерода, возникали повсюду, где энергия взаимодействовала с простейшими молекулами вроде углекислого газа и воды. Сырьевые ресурсы живого вещества образовывались там, где грозовые разряды пронзали атмосферу, где вулканическая тепловая энергия доводила до кипения океан, даже там, где ультрафиолетовое излучение облучало молекулярные скопления в глубоком космосе задолго до рождения Земли. Древние моря на Земле все более насыщались живым веществом по мере того, как проливались с небес дождем и поднимались из морских глубин биомолекулы.

Современные исследования происхождения жизни начались в 1953 г. с эксперимента по биогенезу, который

и по сей день остается самым известным событием в этой области науки. Химик Гарольд Юри, Нобелевский лауреат из Чикагского университета, вместе со своим преданным аспирантом Стэнли Миллером разработали простой и элегантный настольный стеклянный аппарат, моделирующий раннюю ступень формирования Земли. Кипящая вода имитировала гадейский океан, а смесь различных газов воссоздавала первоначальную атмосферу, в которой искровые разряды искусственно воспроизводили молнии. Через несколько дней чистейшая артезианская вода, совершенно бесцветная, окрасилась в розоватый цвет, затем приобрела бурый оттенок – за счет сложной смеси органических молекул. Прозрачное стекло покрылось липкими черными органическими осадками.

Миллер произвел химический анализ и обнаружил в этих осадках огромное количество аминокислот и других «строительных блоков» жизни. В 1953 г. он опубликовал в журнале Science статью с результатами эксперимента, вызвавшую настоящую сенсацию во всем мире. Вскоре ученые толпами бросились исследовать добиологическую химию. Точность смеси атмосферных газов в эксперименте Миллера – Юри подвергалась сомнению, но буквально тысячи последующих экспериментов подтвердили, что, вне всякого сомнения, уже на ранней стадии существования Земля изобиловала органическими веществами. Эксперимент 1953 г. и его последующие модификации оказались такими успешными, что многим казалось: тайна происхождения жизни в основном разгадана.

Этот первоначальный энтузиазм мог иметь негативные последствия. В эксперименте Миллера все внимание было сосредоточено исключительно в области органической химии. Экспериментаторы считали, что развитие жизни происходит в «первичном бульоне», возможно, в «маленьком теплом пруду» (о чем говорил еще Чарльз Дарвин 100 лет назад). Мало кто из исследователей 1950-х гг. учитывал сложные условия естественной геохимической среды, менявшиеся по ходу суточных циклов смены дня и ночи, жары и холода, влажности и сухости и многих других. Не принимали они во внимание и масштаб естественных перепадов физических параметров, например, температуры при взаимодействии вулканической магмы с ледяным океаном или изменений солености при впадении потоков пресной воды в соленый океан. Ни один из экспериментов Миллера не включал горные породы и минералы с их разнообразием химических микро– и макроэлементов и химически активных кристаллов. Исследователи считали, что весь процесс происходил на поверхности Земли, освещенной лучами Солнца.

Влияние Миллера оказалось весьма значительным, и он со своими последователями более трех десятилетий царил в области исследования происхождения жизни. Все это сопровождалось потоком публикаций, открытием новых научных журналов, получением наград и премий. Правительственные гранты мощным потоком изливались на «последователей Миллера». Затем, в конце 1980-х гг. появилась вполне жизнеспособная альтернатива «первичному бульону», связанная с открытием глубоководных термальных зон. В этих темных глубинах, весьма далеких от освещенной Солнцем поверхности океана, насыщенные минералами жидкости вступают во взаимодействие с раскаленной вулканической корой, порождая глубоководные гейзеры. Струи горячей воды из таких подводных гейзеров взаимодействуют с холодными, глубинными океанскими водами, что сопровождается постоянным выпадением минералов в осадок (этот осадок состоит из микроскопических частиц, образующих своего рода черную «накипь»). В этих невероятно укромных глубинах живое вещество присутствует в изобилии, питаемое энергией химических реакций на границе между глубинной корой и океаном.

Битва между научными моделями происхождения жизни объясняется социологией научного мира. С одной стороны, опыт Миллера – Юри позволил получить биомолекулы, поразительно похожие на те, которые действительно лежат в основе живого вещества. Смесь аминокислот, углеводов, липидов и щелочей похожа на хорошо сбалансированную диету. Как пошутил Гарольд Юри, «если Господь не воспользовался этим способом, он много потерял». Но истинные последователи Миллера не просто поддержали активизированный электрическими разрядами «первичный бульон»; во всех докладах и публикациях они рьяно отвергали любое инакомыслие.

Влияние этой научной клики начало приходить в упадок с момента поразительного открытия глубоководных геотермальных отложений, описанных выше, а также в связи с растущим влиянием и далекоидущими, честолюбивыми планами НАСА. Наличие черных отложений в глубоководных впадинах совпало с растущим убеждением в том, что жизнь встречается в экстремальных средах – местах, куда предыдущие поколения биологов даже не заглядывали. Теперь мы знаем, что микроорганизмы выживают в кислотных потоках, вытекающих из отходов при добыче полезных ископаемых, а также в кипящих озерах рядом с действующими вулканами. Они выживают в ледяных толщах Антарктиды и сохраняются в частицах пыли в стратосфере на высоте многих километров над поверхностью Земли. Обширные колонии микроорганизмов существуют глубоко под твердой поверхностью Земли, где живые клетки обитают в мельчайших расщелинах и полостях и подпитываются скудной химической энергией минералов, – эти формы жизни составляют не меньше половины всей биомассы Земли – столько же, сколько все растения, слоны, муравьи и люди вместе взятые. Если такие биоэкстремалы могут существовать, если значительная часть живых организмов сохраняется в глубинах, защищенных от падения астероидов и комет, – почему бы не предположить, что жизнь именно там и зародилась?

Финансирование НАСА напрямую зависит от перспективы грандиозных открытий, а потому ученые ухватились за эту идею. Если происхождение жизни ограничить только теорией, основанной на экспериментах Миллера – Юри, т. е. жизнь возникла в согретой солнечными лучами воде, тогда Земля и, возможно, Марс (на ранних стадиях его существования, примерно первые 500 млн лет) являются единственными живыми планетами в нашем ближайшем окружении. Но если жизнь способна зарождаться в темных, горячих недрах подповерхностной вулканической зоны, то многие небесные тела могут претендовать на внимание исследователей. Марс до сих пор сохранил глубокие гидротермальные зоны: возможно, жизнь продолжается и там. Интерес биологов вызывают и некоторые спутники Юпитера, так же как насыщенный органическими молекулами спутник Сатурна Титан, по размерам близкий Земле. Даже на некоторых крупных астероидах могут глубоко в недрах скрываться сырые, теплые области, пригодные для зарождения жизни. Если жизнь зародилась глубоко в недрах Земли, то у исследований (и соответственно – финансирования) НАСА в области экзобиологии есть будущее на многие десятилетия.

Я и мои коллеги по Институту Карнеги сравнительно недавно вступили на стезю исследований происхождения жизни. Первые, финансируемые НАСА, эксперименты нашей лаборатории начались в 1996 г. и были нацелены на изучение органического синтеза в условиях глубоководных гейзеров, где преобладают высокие температуры и давление. Подобно Миллеру, мы подвергли смеси простых газов различным энергетическим воздействиям, в нашем варианте – тепловой энергии и химически активным поверхностям минералов, какие можно встретить в глубоководных вулканических областях. Как и Миллер, мы получили аминокислоты, липиды и другие биостроительные блоки. Наши результаты были проверены исследованиями во многих других лабораториях, и подтвердилось, вне всякого сомнения, что набор органических молекул легко синтезируется в условиях «скороварки», которую и представляет собой подповерхностные области коры. Вулканические газы, содержащие углерод и азот, охотно вступают в реакцию с простыми породами и морской водой, производя при этом практически все необходимые для живого вещества «строительные блоки».

Более того, процессы синтеза управляются сравнительно спокойными реакциями восстановления и окисления (окислительно-восстановительные реакции) вроде коррозии железа или выпекания суфле. Именно эти мягкие реакции обеспечивают метаболизм живой материи, в отличие от таких бурных процессов, как ионизирующий эффект электрического разряда или ультрафиолетового излучения. На самом деле если разряд электричества способен породить органические молекулы, то он же способен и растерзать их в клочья. Многим из нас, занятых исследованиями в этой области, представляется более логичным представить, что добиологические молекулы на Земле образовались с помощью гораздо менее затратных химических реакций, более или менее похожих на функционирование современной живой клетки.